(57)【要約】  センサーシステムは、対象者の呼吸タイプを決定するためのものである。センサーシステムは、第１及び第２の電磁放射（たとえば、光学）センサー、たとえば、ＰＰＧセンサーを有する。センサーは、異なるセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に適用するためのものである。第１のセンサー及び第２のセンサーからの信号は、主に第１の呼吸タイプ（たとえば、胸式呼吸）があるのか、主に第２の呼吸タイプ（たとえば腹式呼吸）があるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定するために分析される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象者の呼吸タイプを決定するためのセンサーシステムであって、前記センサーシステムは、
第１のセンサーロケーションにおける前記対象者の皮膚との関連付けのための第１の検出器を有する第１の電磁放射センサーと、
第２のセンサーロケーションにおける前記対象者の皮膚との関連付けのための第２の検出器を有する第２の電磁放射センサーと、
コントローラとを備え、前記コントローラは、
前記第１の検出器及び前記第２の検出器からの信号を分析することであって、前記分析することが、
前記第１の検出器信号から第１の測度を決定することと、
前記第２の検出器信号から第２の測度を決定することと、
前記第１の測度と前記第２の測度との間の関係を決定することとを有し、
前記第１の測度及び前記第２の測度が各々、
（ｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導強度変動の測度、
（ｉｉ）前記パルス周波数における前記振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導パルス振幅変動の測度、又は
（ｉｉｉ）その検出器におけるＤＣレベルに対する各検出器信号についての呼吸誘導強度若しくはパルス振幅変動の測度
を含む、
分析することと、
前記分析から、主に第１の呼吸タイプがあるのか、主に第２の呼吸タイプがあるのか、前記第１の呼吸タイプと前記第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定することと
を行う、センサーシステム。
【請求項２】
前記第１の電磁放射センサー及び前記第２の電磁放射センサーが、４００ｎｍから１０００ｎｍの間の波長間隔において動作する、請求項１に記載のセンサーシステム。
【請求項３】
前記第１の電磁放射センサー及び前記第２の電磁放射センサーが各々、ＰＰＧセンサーを備える、請求項１又は２に記載のセンサーシステム。
【請求項４】
前記第１の呼吸タイプが胸式呼吸を含み、前記第２の呼吸タイプが腹式呼吸を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサーシステム。
【請求項５】
対象者の呼吸タイプを決定するための方法であって、前記方法は、
第１の検出器を有する第１の電磁放射センサーを、第１のセンサーロケーションにおいて前記対象者の皮膚と関連付けるステップと、
第２の検出器を有する第２の電磁放射センサーを、第２のセンサーロケーションにおいて前記対象者の皮膚と関連付けるステップと、
前記第１の検出器及び前記第２の検出器からの信号を分析するステップであって、前記分析するステップが、
前記第１の検出器信号から第１の測度を決定するステップと、
前記第２の検出器信号から第２の測度を決定するステップと、
前記第１の測度と前記第２の測度との間の関係を決定するステップとを有し、
前記第１の測度及び前記第２の測度が各々、
（ｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導強度変動の測度、
（ｉｉ）前記パルス周波数における前記振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導パルス振幅変動の測度、又は
（ｉｉｉ）その検出器におけるＤＣレベルに対する各検出器信号についての呼吸誘導強度若しくはパルス振幅変動の測度
を含む、
分析するステップと、
前記分析から、主に第１の呼吸タイプがあるのか、主に第２の呼吸タイプがあるのか、前記第１の呼吸タイプと前記第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定するステップと
を有する、方法。
【請求項６】
４００ｎｍから１０００ｎｍの間の波長間隔において第１の電磁放射源及び第２の電磁放射源からの出力を与えるステップを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の呼吸タイプが胸式呼吸を含み、前記第２の呼吸タイプが腹式呼吸を含む、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
上大静脈に関連付けられた第１のセンサーロケーションを与えるステップと、下大静脈に関連付けられた第２のセンサーロケーションを与えるステップとを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のセンサーロケーションが手首であり、前記第２のセンサーロケーションが足首である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
コンピュータ上で実行されたとき、第１のロケーションにおいて対象者の皮膚に関連付けられた第１の電磁放射センサーと、第２のロケーションにおいて前記対象者の皮膚に関連付けられた第２の電磁放射センサーとから信号を受信することと、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の方法の前記分析するステップ及び前記決定するステップを実施することとを行うコンピュータプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼吸タイプを決定するためのセンサーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
呼吸数及び呼吸パターンをモニタするための呼吸センサーがよく知られている。
【０００３】
呼吸数を測定するための１つの非侵襲的なやり方は、光電脈波（ＰＰＧ）センサーを使用することである。これらは身体のボリューム変化を測定する。ＰＰＧ信号から取り出され得るバイタルサインの中には、脈拍数、動脈酸素飽和度、及び呼吸数がある。
【０００４】
パルスオキシメータは、ＰＰＧベースセンサーの一般的な例である。そのようなセンサーの目的は、血液酸素飽和度の測度を取得することであるが、センサーは、皮膚中の血液ボリュームの変化をも検出し、それにより、ＰＰＧ検知を実施する。血液ボリュームの変化を検出することによって、パルスに対応する周期信号が取得される。さらに、このより高い周波数脈拍数信号は、呼吸数を追跡するより低い周波数信号で変調される。したがって、ＰＰＧ信号の好適なフィルタ処理を用いて、脈拍数信号と呼吸数信号の両方が取得され得る。したがって、脈拍数及び呼吸数の測度を与えるために、パルスオキシメータなどのＰＰＧセンサーが一般的に使用される。
【０００５】
ＰＰＧセンサーは、たとえば、少なくとも１つのＬＥＤと１つの光センサーとを含んでいる。ＬＥＤ及びセンサーは、ＬＥＤが、光をユーザの皮膚に向け、それが、反射又は透過され、センサーによって検出されるように配置される。反射／透過された光の量は、とりわけ、皮膚内の血液の潅流によって決定される。
【０００６】
ＰＰＧシステムは、たとえば、赤色ＬＥＤと、近赤外ＬＥＤと、光検出器ダイオードとを含む。センサーは、一般に、患者の皮膚の直上の、一般に、指（手指又は足指）或いは耳たぶ上のＬＥＤと光検出器ダイオードとで構成される。
【０００７】
顔の額、鼻又は他の部分、手首、胸部、鼻中隔、鼻翼、外耳道、及び／或いは頬又は舌などの口の内側を含む、患者の他の場所も好適である。
【０００８】
ＬＥＤは、異なる波長において光を放出し、その光は、患者の皮膚の血管床を通って拡散され、光検出器ダイオードによって受信される。波長の各々における変化する吸光度が測定され、それにより、センサーが、たとえば、静脈血、皮膚、骨、筋肉、及び脂肪を除く、脈動動脈血のみによる吸光度を決定することが可能になる。次いで、得られたＰＰＧ信号が分析される。
【０００９】
透過パルス酸素測定では、センサーデバイスは、患者の身体の薄い部分上に配置される。反射パルス酸素測定は、透過パルス酸素測定の代替として使用される。この方法は、人の身体の薄い部分を必要とせず、したがって、足、額及び胸部などのより汎用的な適用に好適である。
【００１０】
呼吸は、新鮮で酸素が豊富な空気を肺に届けるために必須であり、肺から、その空気は血液を介してすべての体細胞に運ばれる。本質的に、肺ボリュームを増加させることは、周囲雰囲気と比較して圧力を減少させ、したがって、ボイルの法則に従って、空気は肺に流れ込む。肺ボリュームを減少させることによって、反対のことが起こり、二酸化炭素が、吐き出された空気とともに肺の中から流れ出る。
【００１１】
肺ボリューム変動は、２つの主要な領域、すなわち、胸部及び横隔膜（腹部）の筋肉から生じる。肋骨の間の筋肉が収縮し、胸郭を横、前及び後ろに拡大するように動かすとき、胸式呼吸が行われる。横隔膜が収縮し、腹腔を下方に押すとき、腹部呼吸又は腹式呼吸が行われる。腹腔は縮小することができないが、形状を変更し、腹部を前方に動かす。実際には、すべての呼吸は、何らかの腹式呼吸を伴うが、必ずしも胸式呼吸を伴うとは限らない。
【００１２】
安静にしているとき、健康な対象者の通常呼吸サイクルは、腹式呼吸で開始し、次いで、複合の腹式及び胸式呼吸動作に変わる。しかしながら、ストレスの多い状況では、人々は、比較的浅く速い様式で主に胸部領域を用いて呼吸する傾向がある。このタイプの呼吸は、自律神経系の交感神経（闘争逃避）枝を刺激する。極端な場合、これは過呼吸を引き起こし、これにより血液のｐＨ値が低下する（アルカローシスを引き起こす）。
【００１３】
呼吸は自律神経系によって制御されるが、対象者は、自発的に、呼吸パターン及び呼吸数に影響を及ぼし、したがって、意図的に、浅く速い胸式呼吸からより緩やかでより深い横隔膜呼吸に移行することによって、闘争／逃避反応を抑圧することができる。リラクセーション法は、一般に、このリラックスタイプの呼吸を達成することを目的とする。
【００１４】
同様に、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）又は喘息に苦しむ人々は、自分の呼吸を回復するためにこれらのリラクセーション法から恩恵を受けることができる。
【００１５】
ＰＰＧセンサーが、遍在的に使用され、呼吸信号を検出することが可能であるが、ＰＰＧセンサーは、胸式呼吸と腹部呼吸とを区別することができない。リラクセーション法の場合、これは、センサーが、提案されているように対象者が緩やかに呼吸しているかどうかを確認するために使用され得るが、対象者が主に腹式呼吸を使用するようにとのアドバイスに実際に従っているかどうかを確認するために使用されないことがあることを暗示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、２つのタイプの呼吸を区別することができるセンサーシステムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様による例は、対象者の呼吸タイプを決定するためのセンサーシステムであって、本センサーシステムは、
第１のセンサーロケーションにおける対象者の皮膚との関連付けのための第１の検出器を有する第１の電磁放射センサーと、
第２のセンサーロケーションにおける対象者の皮膚との関連付けのための第２の検出器を有する第２の電磁放射センサーと、
コントローラとを備え、コントローラは、
第１の検出器及び第２の検出器からの信号を分析することであって、分析することが、
第１の検出器信号から第１の測度を決定することと、
第２の検出器信号から第２の測度を決定することと、
第１の測度と第２の測度との間の関係を決定することとを有し、
第１の測度及び第２の測度が各々、
（ｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導強度変動（ＲＩＩＶ：ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）の測度、又は
（ｉｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導パルス振幅変動（ＲＩＡＶ：ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｐｕｌｓｅ−ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ）の測度、又は
（ｉｉｉ）その検出器におけるＤＣレベルに対する各検出器信号についての呼吸誘導強度若しくはパルス振幅変動の測度
を含む、
分析することと、
分析から、主に第１の呼吸タイプがあるのか、主に第２の呼吸タイプがあるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定することと
を行うように適応された、センサーシステムを提供する。
【００１８】
「との関連付け」によって、検出器が、皮膚に当てられていること又は皮膚から離れていることが意味されるが、いずれの場合も、検出器は、そのロケーションにおいて身体組織に関係する信号を処理するように適応される。
【００１９】
これらの測度は呼吸信号インジケータである。関係は、たとえば、２つの測度の比又は差又は他の組合せである。
【００２０】
本発明は、いくつかの身体部位は、第１のタイプ（たとえば、胸式呼吸）のよりクリアな呼吸信号を示すが、他の身体部位は、第２のタイプ（たとえば、腹式呼吸）のより強い呼吸信号を示すという認識に基づく。特に、（直立姿勢にある対象者の場合の）より下側の身体部分における皮膚から測定されたセンサー信号は、下大静脈（ＩＶＣ）における圧力変動によってより影響を及ぼされるが、より上側の身体部分は、上大静脈（ＳＶＣ）における圧力変動によってより影響を及ぼされるセンサー信号を示す。
【００２１】
特に、胸式呼吸は、ＳＶＣにおける圧力変動により関連付けられ、腹式呼吸は、ＩＶＣにおける圧力変動により関連付けられる。
【００２２】
２つのセンサー信号を分析することによって、たとえば、呼吸信号を表すためにすでに各々が処理された後の２つのセンサー信号の相対信号強度を分析することによって、２つの異なる呼吸タイプの寄与が決定される。
【００２３】
第１のセンサー及び第２のセンサーは、センサーアレイの一部である。たとえば、検知は、身体ロケーションにおいて別個のセンサーを使用する接触検知、又は画像検知手法を使用するリモート検知に基づく。
【００２４】
センサーは、互いと通信するか、又はワイヤレスプロトコルを使用してさらなる外部の計算手段と通信する。
【００２５】
第１の測度及び第２の測度は各々、たとえば、呼吸誘導強度変動（ＲＩＩＶ）の測度又は呼吸誘導振幅変動（ＲＩＡＶ）の測度を含む。
【００２６】
したがって、測度は、好ましくはパルス振幅又はＤＣレベルのいずれかに正規化された、ベースライン変調の量（強度）又はパルス振幅変調の量に基づく。
【００２７】
パルス周波数における信号振幅に対するこの正規化は、皮膚の局所潅流にかかわらず呼吸信号の固定利得を与える。
【００２８】
このようにして、呼吸信号の強度が、２つの身体ロケーションにおけるパルス信号の強度に対して測定される。２つの身体ロケーションは、それぞれＳＣＶ又はＩＣＶにおける圧力によってより影響を及ぼされ、したがって、胸式呼吸（第１の呼吸タイプ）と腹式呼吸（第２の呼吸タイプ）とを区別することが可能になる。
【００２９】
第１のセンサー及び第２のセンサーは、たとえば、４００ｎｍから１０００ｎｍの間の波長間隔において動作する。第１のセンサー及び第２のセンサーは各々、この波長間隔が好適であるＰＰＧセンサーを備える。
【００３０】
本発明の別の態様による例は、対象者の呼吸タイプを決定するための方法であって、本方法は、
第１の検出器を有する第１の電磁放射センサーを、第１のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚と関連付けるステップと、
第２の検出器を有する第２の電磁放射センサーを、第２のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚と関連付けるステップと、
第１の検出器及び第２の検出器からの信号を分析するステップであって、分析するステップが、
第１の検出器信号から第１の測度を決定するステップと、
第２の検出器信号から第２の測度を決定するステップと、
第１の測度と第２の測度との間の関係を決定するステップとを有し、
第１の測度及び第２の測度が各々、
（ｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導強度変動（ＲＩＩＶ）の測度、又は
（ｉｉ）パルス周波数における振幅に対する各検出器信号についての呼吸誘導パルス振幅変動（ＲＩＡＶ）の測度、又は
（ｉｉｉ）その検出器におけるＤＣレベルに対する各検出器信号についての呼吸誘導強度若しくはパルス振幅変動の測度
を含む、
分析するステップと、
分析から、主に第１の呼吸タイプがあるのか、主に第２の呼吸タイプがあるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定するステップと
を有する、方法を提供する。
【００３１】
この方法は、単純な電磁（たとえば、光学）ベースセンサーが、対象者の呼吸のタイプの指示を与えることを可能にする。
【００３２】
相対信号を使用することは、正規化機能を与える。
【００３３】
第１の呼吸タイプは、たとえば、胸式呼吸を含み、第２の呼吸タイプは腹式呼吸を含む。
【００３４】
本方法は、たとえば足首において、下大静脈に関連付けられた（すなわち、下大静脈にドレインする）第１のセンサーロケーションを与えるステップと、たとえば手首において、上大静脈に関連付けられた（すなわち、上大静脈にドレインする）第２のセンサーロケーションを与えるステップとを有する。
【００３５】
センサー信号の処理は、ソフトウェアで行われる。
【００３６】
本発明の実施形態が、図面を参照しながら単に例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】知られているＰＰＧセンサーを示す図である。
【図２】異なる呼吸タイプを決定するための本発明によるシステムの第１の例を示す図である。
【図３】ＰＰＧ信号、ＰＰＧ振幅波形及びＲＩＩＶ波形を示す図である。
【図４】異なる呼吸タイプを決定するための方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明は、対象者の呼吸タイプを決定するためのセンサーシステムを提供する。センサーシステムは、第１及び第２の電磁放射（たとえば、光学）センサー、たとえば、ＰＰＧセンサーを有する。センサーは、異なるセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に適用するためのものである。第１のセンサー及び第２のセンサーからの信号は、主に第１の呼吸タイプ（たとえば、胸式呼吸）があるのか、主に第２の呼吸タイプ（たとえば腹式呼吸）があるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定するために分析される。
【００３９】
一実装形態では、本システムは２つのＰＰＧセンサーを利用する。
【００４０】
図１は、知られているＰＰＧセンサーを示す。
【００４１】
ＰＰＧセンサーは、光源１０と光検出器１２とを備える。光源は、単一の多波長光源、又は異なる出力波長をもつ複数の光ユニットを備える。センサーはプロセッサ１４を有し、プロセッサ１４は、時間とともに変動するＰＰＧ信号の形態の出力１６を生成する。出力はリアルタイムで与えられ、及び／又は出力は、モニタリング期間中に時間とともにトレースとしてロギング及び記憶される。次いで、記憶されたトレースは、モニタリング期間が終わった後、分析される。
【００４２】
ＰＰＧセンサーは、たとえば、パルスオキシメータを備える。出力１６は、知られている様式で、脈拍数、呼吸数及び動脈酸素飽和度レベルを与えるために解釈される。
【００４３】
一例では、本発明は、図１に示されている一般的なタイプのものである２つのＰＰＧセンサーの組合せに基づく。
【００４４】
図２は、病院のベッド１９における対象者１８をモニタするために使用されている、本発明によるシステムの第１の例を示す。
【００４５】
本システムは、図１に示されているものと同じタイプの、したがって、第１のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に適用するための、第１の電磁放射源と第１の検出器とを有する、第１のセンサー２０を有する。この第１のロケーションは、図示の例では手首である。
【００４６】
第２のセンサー２２も、図１に示されているものと同じタイプのものであり、第２のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に適用するための、第２の電磁放射源と第２の検出器とを有する。第２のロケーションは、図示の例では足首である。
【００４７】
コントローラ２４は、第１のセンサー及び第２のセンサーからの信号を分析し、分析から、主に第１の呼吸タイプ（胸式呼吸）があるのか、主に第２の呼吸タイプ（腹式呼吸）があるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかを決定する。
【００４８】
いくつかの身体部位は、胸式呼吸に関係するよりクリアな呼吸信号を示すが、他の身体部位は、腹式呼吸に関係するより強い呼吸信号を示す。特に、より下側の身体部分、詳細には下肢における皮膚から測定されたセンサー信号は、下大静脈（ＩＶＣ）における圧力変動によってより影響を及ぼされるが、より上側の身体部分、特に上肢は、上大静脈（ＳＶＣ）における圧力変動によってより影響を及ぼされるセンサー信号を示す。
【００４９】
２つのセンサー信号を分析することによって、たとえば、呼吸信号を表すためにすでに各々が処理された後の２つのセンサー信号の相対信号強度を分析することによって、２つの異なる呼吸タイプの寄与が決定される。
【００５０】
特に、分析は、２つの身体ロケーションにおけるパルス信号の強度に対する呼吸信号の強度を測定することと、これらの２つの強度信号を比較することとを含む。
【００５１】
胸式呼吸は、一般に、ストレスの多い状況の間にみられ、腹式呼吸は、概して、対象者のリラックスした状態の間にみられる。コントローラは、コントローラの最も単純な形態では、胸式呼吸又は腹式呼吸のいずれかを表すバイナリインジケータである出力２６を与える。より詳細な実装形態では、胸式呼吸対腹式呼吸の度合いが示される（たとえば、割合）。
【００５２】
２つの身体ロケーションから受信された呼吸信号は、好ましくは、正規化される。この正規化は、呼吸数における受信された信号の変動を、脈拍数における変動の振幅で除算することを含む。ただし、検出器における受信された信号の平均値（ＤＣ）で除算することのような、他の正規化手法が可能である。正規化の１つの利益は、皮膚の局所潅流にかかわらず呼吸信号の固定利得を取得することである。正規化プロセスは、以下でさらに詳細に説明される。
【００５３】
電磁放射源は、たとえば、４００ｎｍから１０００ｎｍの間の波長間隔において動作し、ここで、詳細には、ＰＰＧ信号は、５５０ｎｍ周辺で比較的最も強くなるので、５５０ｎｍ周辺の波長が含まれる。好ましくは、デバイスの動きロバストネスを改善するために、２つ以上の波長が使用される。
【００５４】
センサーは、図示の例では、対象者の皮膚と接触している検出器部分をもつ接触センサーであるが、皮膚領域は、皮膚に極めて近接して取り付けられるだけでよい電磁放射器によって照らされる。
【００５５】
センサーの検出器は、代わりに、２つの（又はそれ以上の）ロケーションにおいて対象者の皮膚から反射された／対象者の皮膚を透過された光をリモートで検出する画像センサーアレイを形成する。一般に、カメラは、周囲照明又は専用照明のいずれかを使用して対象者の２つの異なる皮膚領域をリモートで撮像する。
【００５６】
呼吸信号は、一般に、パルス周波数（たとえば、１Ｈｚ）を下回る、受信された検出器信号の低周波成分として取得される。代替的に、呼吸信号は、呼吸数におけるパルス信号の振幅変調の相対強度を抽出することによって、検出器信号から取得される。
【００５７】
たとえば、呼吸信号及び呼吸数（又は呼吸周波数）が、以下の３つのパラメータを介してフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）から取得され得ることが、Ｗ．Ｋａｒｌｅｎ、Ａ．Ｇｒａｄｅ、Ｄ．Ｍｙｅｒｓ、Ｃ．Ｓｃｈｅｆｆｅｒ、Ｊ．Ａｎｓｅｒｍｉｎｏ、及びＧ．Ｄｕｍｏｎｔ、「Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｒａｔｅ  ｆｒｏｍ  ｐｈｏｔｏｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｖｉｄｅｏｓ  ｃｏｍｐａｒｅｄ  ｔｏ  ｐｕｌｓｅ  ｏｘｉｍｅｔｒｙ」、Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｈｅａｌｔｈ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ，１９、１３３１〜１３３８（２０１５）に開示されている。
−  心拍間隔：吸息は心拍数を増加させるが、呼息の後、周波数は急速に低下する、すなわち、パルスは呼吸信号でＦＭ変調される。
−  ＰＰＧ信号のＤＣ部分：ＤＣ成分は、吸息において増加し、呼息において減少する。この効果は、ベースライン変調、又は呼吸誘導強度変動ＲＩＩＶとして定義される。
−  ＰＰＧ信号のＡＣ部分：ＡＣ成分は、吸息において増加し、呼息において減少する、すなわち、パルス信号は、呼吸信号で振幅変調される。これは、しばしば、呼吸誘導振幅変動ＲＩＡＶと呼ばれる。
【００５８】
本出願では、ＲＩＩＶ波形が特に興味深いものであることがわかった。
【００５９】
図３は、ＰＰＧ信号と、ＰＰＧ振幅波形と、ＰＰＧ振幅波形の低域フィルタ処理済みバージョンであるＲＩＩＶ波形とを示す。ＰＰＧ振幅波形は、ＰＰＧ波形のピークを追跡することと、線形補間波形を作成することとによって取得される。
【００６０】
ＲＩＩＶ信号によって表されるベースライン変動の強度は、身体ロケーションに強く依存することがわかった。
【００６１】
ＰＰＧ振幅（ＡＣ振幅）及びＤＣ値（ＡＣ信号の曲線の下の領域）は、身体部位に応じて変動し、これは、上述の正規化が、この変動を補償するために望まれる理由である。呼吸信号は、たとえば、パルス信号の振幅によって正規化される。このようにして、ベースライン変動は、その特定の身体ロケーションにおけるＰＰＧ信号に見られるパルス信号の大きさに関して表される。目的は、同様のベースライン変動大きさが呼吸信号から生じるという点で、各ロケーションにおいて測定されたベースライン変動が等しい有意性を有することである。もちろん、この目的を達成するための他の正規化手法が考慮される。たとえば、代替正規化は、反射光のＤＣ値を使用する。信号は、事実上、センサー信号の対数を取ることによってＤＣレベルに対して取得される。この場合、得られたＡＣ振幅は、ＤＣに対する振幅（正規化された振幅）と本質的に同じである。
【００６２】
２つの信号を組み合わせるとき、必要な場合、重み付けが適用される。したがって、１つのオプションは、単に、２つのロケーションにおける正規化されたＲＩＩＶ信号の比を測定することである。代替策は、最初に、正規化された信号のうちの１つのスケーリングを実施することである。比ではなく信号間の差（又はスケーリング／重み付けされた信号間の差）が、代わりに使用される。２つの正規化されたＲＩＩＶ信号の最も適切な信号組合せが、前の実験によって取得される。
【００６３】
より一般的には、組み合わせられた信号が呼吸のタイプとの強い相関を有する限り、２つの身体ロケーションからの（必ずしもＲＩＩＶ信号とは限らない）信号の任意の組合せが使用される。したがって、呼吸タイプと相関する好適な信号組合せを決定するために、実験データの回帰分析が使用される。以下の例は、１つの可能な例にすぎない。
【００６４】
本発明は、概念実証を与えるためにテストされており、その結果が以下で提示される。
【００６５】
概念の実現可能性を検証するために、対象者から取得されたＰＰＧデータを分析し、対象者は特定の呼吸プロトコルに従う。そのプロトコルは、連続的に行われる３つのタイプの呼吸、すなわち、腹式呼吸、胸式呼吸、及びその両方の組合せをもつ、１０呼吸／分の一定のレートにおける呼吸を規定する。その組合せは「通常」と呼ばれる。
【００６６】
２つの同等のＰＰＧセンサーを、対象者の手首ロケーション及び足首ロケーションに取り付け、ＰＰＧ信号を、１２８Ｈｚのサンプリング周波数を用いて同期的にサンプリングした。
【００６７】
各呼吸モダリティについて、呼吸特徴を、ＤＣ変動（呼吸誘導強度変動ＲＩＩＶ）の形態でＰＰＧ波形から抽出した。
【００６８】
絶対ＲＩＩＶ変動を、正規化されたＰＰＧ信号の周波数スペクトル中の呼吸周波数における振幅によって測定し、決定した。
【００６９】
相対変動も、上記の絶対ＲＩＩＶ定義に基づいて測定したが、上記で説明されたパルス周波数における振幅に関してスケーリングした。
【００７０】
これらの特徴について、次いで、手首ロケーションにおいて集められた信号と足首ロケーションにおいて集められた信号との間の比を計算した、すなわち、
ＲＩＩＶ＿ａｂｓｏｌｕｔｅ＿ｒａｔｉｏ＝ＲＩＩＶ＿ａｂｓｏｌｕｔｅ（手首）／ＲＩＩＶ＿ａｂｓｏｌｕｔｅ（足首）。
ＲＩＩＶ＿ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｒａｔｉｏ＝ＲＩＩＶ＿ｒｅｌａｔｉｖｅ（手首）／ＲＩＩＶ＿ｒｅｌａｔｉｖｅ（足首）。
【００７１】
これらの値が、以下の表中に提示される。比は、胸式呼吸がより優勢になるほど、より高くなることが予想される。
【表１】
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【００７２】
これらの結果は、相対ＲＩＩＶ測度により、胸式呼吸は最高比を与え、腹式呼吸は最低比を与えるが、「通常」呼吸は、これらの２つの中間に現れる、信号を与えることを示す。結果はまた、正規化が結果をどのように改善するかを示す。
【００７３】
代替の測度は、ＡＣ変動（呼吸誘導振幅変動ＲＩＡＶ）である。ここでも、絶対値が、たとえば、山谷ペアの導関数の標準偏差として決定される。相対値は、絶対ＲＩＡＶ定義と同様であるが、ここでも、ＰＰＧ強度のローカル変動を補正するために、心臓パルス振幅に関してスケーリングされる。
【００７４】
本発明は、ホームヘルスケア並びに臨床環境内の両方にとって興味深いものである。本発明は、たとえば、喘息発作又は他の呼吸困難の場合にリラックスした呼吸を達成するようにユーザを誘導するのを助けるために使用され得る。
【００７５】
上記の例は、２つの接触センサーの使用に基づく。最近、邪魔にならない測定のための（カメラｒＰＰＧデバイスとも呼ばれる）非接触のリモートＰＰＧ（ｒＰＰＧ）デバイスが導入された。リモートＰＰＧは、関心対象者から離れて配置された光源、又は概して放射源を利用する。同様に、検出器、たとえば、カメラ又は光検出器も、関心対象者から離れて配置され得る。したがって、リモート光電脈波システム及びデバイスは、邪魔にならず、医療並びに非医療日常用途に好適と見なされる。このタイプの検知が、本発明のシステムによって使用されるが、リモートＰＰＧデバイスは、一般に、より低い信号対雑音比を達成する。
【００７６】
この場合、ＰＰＧセンサーは、たとえば、光源としてカメラフラッシュを利用し、センサーデバイスとしてカメラ画像センサーを利用する。このようにして、モバイルフォン上で実行する好適なアプリケーションを用いて、本システムは実施され得る。
【００７７】
より高い精度で呼吸タイプを決定するために処理されるべき追加情報を与えるために、３つ以上のセンサーがあり得る。
【００７８】
図４は、対象者の呼吸タイプを決定するための方法を示す。
【００７９】
ステップ３０において、第１の電磁放射源と第１の検出器とを有する第１のセンサーが、第１のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に関連付けられる。第１のセンサーは皮膚に適用されるか、又は第１のセンサーはそのロケーションにおいて身体をリモートでモニタするために配置される。
【００８０】
ステップ３２において、第２の電磁放射源と第２の検出器とを有する第２のセンサーが、第２のセンサーロケーションにおいて対象者の皮膚に関連付けられる。
【００８１】
ステップ３３において、第１の信号Ｓ１が取得される。第１の信号Ｓ１は、ステップ３５において、呼吸の第１の測度Ｍ１を取得するために、たとえば低域フィルタ処理又は他の信号処理によって、呼吸トレースの測度に変換される。この測度は、ステップ３７において、相対値Ｒ１を与えるために正規化される。
【００８２】
ステップ３４において、第２の信号Ｓ２が取得される。第２の信号Ｓ２は、ステップ３６において、呼吸の第２の測度Ｍ２を取得するために、たとえば低域フィルタ処理又は他の信号処理によって、呼吸トレースの測度に変換される。これは、呼吸誘導強度変動（ＲＩＩＶ）である。この測度は、ステップ３８において、相対値Ｒ２を与えるために正規化される。
【００８３】
２つの相対値は、ステップ４０において、信号の、たとえば、比、或いは重み付けされた比、或いは（関係と呼ばれることもある）他の線形又は非線形組合せを見つけるために、処理される。この処理から、ステップ４２において、主に第１の呼吸タイプがあるのか、主に第２の呼吸タイプがあるのか、第１の呼吸タイプと第２の呼吸タイプとの混合があるのかが決定される。
【００８４】
ステップ４４において出力が与えられる。
【００８５】
第１の呼吸タイプは胸式呼吸を含み、第２の呼吸タイプは腹式呼吸を含む。
【００８６】
信号処理は、コントローラ２４を形成するか又はコントローラ２４の一部であるコンピュータプログラムによって実施される。コントローラは、必要とされる様々な機能を実施するために、ソフトウェア及び／又はハードウェアを用いて、多数のやり方で実施される。プロセッサは、必要とされる機能を実施するためにソフトウェア（たとえば、マイクロコード）を使用してプログラムされた１つ又は複数のマイクロプロセッサを採用するコントローラの一例である。ただし、コントローラは、プロセッサを採用して又は採用しないで実施され、いくつかの機能を実施するための専用ハードウェアと他の機能を実施するためのプロセッサ（たとえば、１つ又は複数のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路）との組合せとしても実施される。
【００８７】
本開示の様々な実施形態において採用されるコントローラ構成要素の例は、限定はしないが、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。
【００８８】
様々な実装形態では、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及びＥＥＰＲＯＭなどの揮発性及び不揮発性コンピュータメモリなど、１つ又は複数の記憶媒体に関連付けられる。記憶媒体は、１つ又は複数のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行されたとき、必要とされる機能を実施する１つ又は複数のプログラムで符号化される。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されるか、又はその上に記憶された１つ又は複数のプログラムがプロセッサ又はコントローラにロードされ得るように移動可能である。
【００８９】
上記の例はＰＰＧ測定を利用する。電磁センサーは、呼吸トレースを取得するために使用され、フォトプレチスモグラフィ信号を出力する必要がない。したがって、他の反射センサー又は透過センサーが使用される。
【００９０】
２つの呼吸タイプが上記で説明された。胸部（胸式）呼吸及び横隔膜（腹式）呼吸が、２つの最も一般的なタイプの呼吸である。肺の上部３分の１に入り、それよりも深くには入らない呼吸である、鎖骨呼吸もある。鎖骨呼吸は、吸息中に鎖骨及び肩を上げることと、胴の残部を動かないように保つこととによって達成される。鎖骨呼吸は、最も浅いタイプの呼吸である。鎖骨呼吸も区別可能であるか、又はそうでなければ、鎖骨呼吸は胸式呼吸として識別される。
【００９１】
本発明は、図面及び上記の説明において、詳細に示され、説明されてきたが、そのような例示及び説明は、図示的又は例示的と見なされるべきであり、限定的でなく、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。
【００９２】
開示された実施形態に対する他の変形形態が、請求される本発明を実施する際に当業者によって、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討により理解され、実施され得る。特許請求の範囲において、「備える、有する、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、本特許請求の範囲において列挙されるいくつかの項目の機能を遂行し得る。いくつかの測度が、相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの測度の組合せが有利には使用され得ないことを示しているわけではない。本特許請求の範囲の中のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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